Conservación de la energía y la calorimetría

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PRÁCTICA 5: Conservación de la energía y la calorimetría
Resumen
En esta práctica se realizaron 5
procedimientos (1. Conservación de la
energía - 2. Cálculo del equivalente en
agua del calorímetro, K - 3. Medida de la
capacidad calorífica de un calorímetro - 4.
Medida del calor latente de fusión del
hielo - 5. Medida del calor latente de
vaporización del agua) para comprender la
dinámica en la conservación de la energía
y la calorimetría empleando como
instrumento principal un calorímetro.
Mediante estos procedimientos se
comprobó la transferencia de energía en
forma de calor y se determinaron variables
correspondientes a la termodinámica. En
los procedimientos realizados se
emplearon varias fórmulas que permitieron
determinar variables como el calor latente
(fusión y vaporización), porcentajes de
error, calor total, volumen total, calor
cedido, la variación del calor, entre otras.
Todo lo descrito anteriormente se realizó
mediante los cambios de temperatura o
estabilización de la misma en un fluido
como el agua. Finalmente, podemos
observar que los porcentajes de error
dieron valores demasiado altos,
16087003,52 % y 28,599 %, lo cual fue
necesario investigar de manera más
exhaustiva.
Introducción:
La calorimetría es la técnica de medición
de intercambio de calor, donde dichas
mediciones se realizan con la ayuda de un
instrumento llamado calorímetro, que por
lo general es un recipiente aislado que
permite una pérdida de calor mínima al
entorno. Los cálculos calorimétricos se
basan en un principio básico el cual es
sencillo: si fluye calor entre dos cuerpos
aislados de sus alrededores, el calor
perdido por un cuerpo debe ser igual al
ganado por el otro. (Jiménez Carballo,
2017)
El primer principio de la Termodinámica
describe los cambios de energía en
cualquier proceso que lleve a un sistema
desde un estado inicial de equilibrio a un
estado final el equilibrio (BELÉNDEZ
VÁZQUEZ, 2017)
Marco teórico
La ley de la conservación de la energía es
un principio de la física que explica qué
sucede con la energía cuando se produce
un evento. Los físicos definen a la energía
como la capacidad para realizar un trabajo
o producir calor. Por ejemplo, mover una
caja del piso a una mesa es un trabajo, y
para hacerlo se necesita energía. Si
pudiéramos medir la energía antes y
después de subir la caja a la mesa,
encontraríamos que es igual, la cantidad de
energía en el Universo es siempre la
misma. Esto significa que la energía que
existe no aumenta ni disminuye.
(todaMateria, 2018)
En física y química, esta ley, propuesta y
probada por primera vez por Émilie du
Châtelet, significa que la energía no se
puede crear ni destruir; más bien, sólo
puede transformarse o transferirse de una
forma a otra. (AcademiaLab, n.d.)
Resultados
En la presente sección se encuentran las
fórmulas, tablas, gráficas, etc de 5
procedimientos realizados para
comprender la conservación de la energía
y la calorimetría.
1. Conservación de la energía
𝑉𝑜𝑙
 𝑇 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜
= 400 𝑐𝑚3
Proced. 1 2 3
𝑇
𝑒𝑞𝑢𝑖𝑙𝑖𝑏𝑟𝑖𝑜
307,15 k 307,15 k 308,15 k
Media 307,4833
Desv. est. 0,5773
D. est. media 0,3333
Varianza 0,2222
Tabla 1. Resultados “Conservación de la
energía”
● Calor intercambiado por el agua
caliente y fría.
𝑀
𝑓𝑟í𝑎
= 200, 103 𝑔 𝑇
𝑓𝑟í𝑎
= 290, 15 𝐾
𝑀
𝑐𝑎𝑙
= 198, 143 𝑔 𝑇
𝑐𝑎𝑙
= 323, 15 𝑘
𝑇
𝑒𝑞𝑢𝑖𝑙𝑖𝑏𝑟𝑖𝑜
= 307, 15 𝑘
∆𝑄
𝑐𝑎𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒
= 𝑚 * 𝐶
0
* (𝑇
𝑐𝑎𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒
− 𝑇
𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙
)
= (198, 143 𝑔)(4, 186 𝐽𝑔𝑘 )(323, 15𝑘 −...
... 307, 5𝑘)
= 13270, 8256 𝐽
∆𝑄
𝑓𝑟í𝑎
= 𝑚 * 𝐶
0
* (𝑇
𝑓𝑟í𝑎
− 𝑇
𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙
)
= (200, 103 𝑔)(4, 186 𝐽𝑔𝑘 )(290, 15𝑘 −...
... 307, 15𝑘)
=− 14239, 7297 𝐽
● ¿Se conserva la energía?
La energía se debe conservar, ganando o
perdiendo en el sistema. Esto lo podemos
comprobar con el calor que se intercambia
en el proceso, teniendo valores muy
cercanos que difieren únicamente en el
signo, determinando de esta forma que si
el signo es positivo en el calor
intercambiado la energía es conducida del
medio al sistema, en cambio, si es
negativo, la energía en forma de calor es
conducida del sistema al medio.
2. Cálculo del equivalente en agua del
calorímetro, K
Proced. 1 2 3
𝑇
0
292,15 k 293,15 k 295,15
k
𝑇
𝑖
291,15 k 292,15 k 291,15
𝑇
𝑚𝑎𝑥. 
303,15 k 303,15 k 303,15
k
𝑇
𝑓
297,15 k 296,15 k 295,15
k
Media 296,15
Desv. est. 1
D. est. media 0,5774
Varianza 0,6666
Tabla 2. Resultados “Cálculo del
equivalente en agua del calorímetro, k”
● Equivalente en agua del
calorímetro [k]
𝑄
𝑐𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜
= 𝑚 * 𝐶
0
* (𝑇
𝑖
− 𝑇
𝑓
)
𝑄
𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑜
= 𝑘 * 𝐶
0
* (𝑇
𝑖
− 𝑇
0
)
𝑚 * 𝐶
0
* (𝑇
𝑖
− 𝑇
𝑓
) = 𝑘 * 𝐶
0
* (𝑇
𝑖
− 𝑇
0
)
𝑘 =
𝑚*(𝑇
𝑖
−𝑇
𝑓
)
(𝑇
𝑖
−𝑇
0
)
𝑘 = (150 𝑔)(291,15 𝑘−297,15 𝑘)(291,15 𝑘−292,15 𝑘)
𝑘 = 900
3. Medida de la capacidad calorífica de
un calorímetro
Proced. 1 2 3
𝑀
𝑓𝑟í𝑎
200,103 g 200,361 g 199,355 g
𝑇
𝑓𝑟í𝑎
292,15 k 293,15 k 292,15 k
𝑀
𝑐𝑎𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 
198,148 g 196,326 g 199,769 g
𝑇
𝑐𝑎𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒
323,15 k 323,15 k 323,15 k
𝑇
𝑒𝑞𝑢𝑖𝑙𝑖𝑏𝑟𝑖𝑜
307,15 k 307,15 k 307,15 k
Media 307,15
Desv.
est.
0
D. est.
media
0
Varianz
a
0
Tabla 3. Resultados “Medida de la
capacidad calorífica de un calorímetro”
● Capacidad calorífica del
calorímetro [ ]𝐶
𝑘
𝐶
𝑘
= ∆𝑄𝑇
𝑒
−𝑇
2
𝑄
𝑃
= 𝑚
2
(𝑇
2
− 𝑇
𝑒
)𝐶
0
= (198, 148)(323, 15 − 307, 15)(4, 186)
= (198, 148 𝑔)(16 𝑘)(4, 186 𝐽𝑔𝑘 )
𝑄
𝑃
= 13271, 160 𝐽
𝑄
𝑔
= 𝑚
1
(𝑇
𝑒
− 𝑇
1
)𝐶
0
= (200, 103)(307, 15 − 292, 15)(4, 186)
= (200, 103 𝑔)(15 𝑘)(4, 186 𝐽𝑔𝑘 )
𝑄
𝑔
= 12564, 467 𝐽
∆𝑄 = 12564, 467 𝐽 − 13271, 160 𝐽
∆𝑄 =− 706, 693 𝐽
𝐶
𝑘
= ∆𝑄𝑇
𝑒
−𝑇
2
|||
|||→ 𝐶𝑘 =
−706,693 𝐽
(307,15−323,15)
|| ||
𝐶
𝑘
= −706,693 𝐽−16
|| || = 44, 168 𝐽/𝑘
Ck = 44,168 J/k = 10556,4054 cal/k
4. Medida del calor latente de fusión del
hielo
Proced. 1 2 3
𝑇
𝑎𝑔𝑢𝑎
315,15 k 315,15 k 315,15 k
𝑀
𝑎𝑔𝑢𝑎
197,248 g 200,255 g 189,315 g
𝑇
ℎ𝑖𝑒𝑙𝑜+𝑎𝑔𝑢𝑎
303,15 k 305,15 k 299,15 k
𝑀
ℎ𝑖𝑒𝑙𝑜+𝑎𝑔𝑢𝑎
216,643 g 215,187 g 218,749 g
𝑚
ℎ𝑖𝑒𝑙𝑜
19,395 g 14,932 g 29,434 g
Media 21,2537
Desv. est. 7,4275
D. est.
media
4,2883
Varianza 36,7787
Tabla 4. Resultados “Medida del calor
latente de fusión del hielo”
● Calor latente
𝐿
𝑓
=
𝑀*𝑐+𝐶
𝑐
𝑚 (𝑇0 − 𝑇) − 𝑐 * 𝑇
𝐿
𝑓
= 197,248 𝑔*1 𝑐𝑎𝑙/𝑔+10556,4054 𝑐𝑎𝑙/𝑘19,395 𝑔 (315, 15 𝑘...)
k− 303, 15 𝑘) − 1𝑐𝑎𝑙/𝑔 * 303, 15
𝐿
𝑓
= 107359, 1056 𝑐𝑎𝑙/𝑔 (12 𝑘) − 1268, 986𝑐𝑎𝑙𝑘 /𝑔
𝐿
𝑓
= − 1287040, 2812 𝑐𝑎𝑙/𝑔
● Porcentaje de error
%𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 = 𝑒𝑥𝑝−𝑡𝑒𝑜𝑡𝑒𝑜
|| || * 100
%𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 = (−1287040, 28𝑐𝑎𝑙/𝑔)−(80𝑐𝑎𝑙/𝑔)(80 𝑐𝑎𝑙/𝑔)
|| || * 100
%𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 = 16087003, 52 %
● Temperatura en equilibrio
Figura 1. Temperatura en equilibrio
5. Medida del calor latente de
vaporización del agua
Proced. 1 2 3
𝑇
𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙
293,15 k 293,15 k 292,15 k
𝑡
1
37 s 51 s 51 s
𝑇
𝑒𝑏𝑢𝑙𝑙𝑖𝑐𝑖ó𝑛
351,15 k 353,15 k 353,15 k
𝑡
2
443 s 435 s 388 s
Media 422
Desv. est. 29,7153
D. est.
media
17,1561
Varianza 588,6666
Tabla 5. Resultados “Medida del calor
latente de vaporización del agua”
𝐿𝑣 =
𝑡
2
𝑡
1
* 𝑐 * (𝑡
𝑒𝑏𝑢𝑙𝑙𝑖𝑐𝑖ó𝑛
− 𝑡
𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙
)
𝐿𝑣 = 443 𝑠37 𝑠 * 1 𝑐𝑎𝑙/𝑔 * (351, 15 𝑘 − 293, 15 𝑘)
𝐿𝑣 = 11, 973 𝑠 * 1 𝑐𝑎𝑙/𝑔 * (58 𝑘)
𝐿𝑣 = 694, 434 𝑐𝑎𝑙/𝑔
● Porcentaje de error
%𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 = 𝑒𝑥𝑝−𝑡𝑒𝑜𝑡𝑒𝑜
|| || * 100
%𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 = (694,434 𝑐𝑎𝑙/𝑔)−(540 𝑐𝑎𝑙/𝑔)(540 𝑐𝑎𝑙/𝑔)
|| || * 100
%𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 = 28, 599 %
● Calor total de agua líquida a vapor
𝑄 = 𝑚 * 𝐿
𝑄 = 𝑚 * 𝐶
𝑒
* ∆𝑡
𝑄
𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 (𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑎 𝑎 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟)
= 𝑄
2
+ 𝑄
3
+ 𝑄
4
Figura 2. Calor latente cambio de estado
del agua
𝑚
𝑎𝑔𝑢𝑎
= 400 𝑔 = 0, 4 𝐾𝑔
𝑚
𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛
= 10 𝑔 = 0, 01 𝐾𝑔
𝐶
𝑒𝑠𝑝. (𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑎)
= 4190 𝐽/𝐾𝑔 * 𝑘
𝐶
𝑒𝑠𝑝. (𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑓𝑢𝑠𝑖ó𝑛)
= 2090 𝐽/𝐾𝑔 * 𝑘
𝐶
𝑒𝑠𝑝. (𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛)
= 1920 𝐽/𝐾𝑔 * 𝑘
𝐿
𝑓
= − 912, 0931𝑐𝑎𝑙/𝑔
𝐿
𝑣
= 2906, 901 𝑐𝑎𝑙/𝑔
𝑄
2
= 400 𝑔 * 2906, 901 𝑐𝑎𝑙/𝑔
𝑄
2
= 1162760, 4 𝐽
𝑄
3
= 0, 4 𝑘𝑔 * 4180 𝐽/𝑘𝑔 𝑘 *...
... (373, 15 − 273, 15)
𝑄
3
= 167200 𝐽
𝑄
4
= 0, 01 𝑔 * 1920 𝐽/𝑘𝑔 = 19, 2 𝐽
𝑄
𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 (𝑙𝑖𝑞−𝑣𝑎𝑝)
= 1162760, 4 𝐽 + 167200 𝐽...
... + 19, 2 𝐽
𝑄
𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 (𝑙𝑖𝑞−𝑣𝑎𝑝)
= 1329979, 6 𝐽
Discusión de resultados
Calor o energía calorífica suele ser un
término utilizado para describir un tipo de
transferencia de energía; cantidad de
energía sumada o restada a la energía
interna total de un objeto, a causa de una
diferencia de temperatura. El calor es
energía en tránsito, por lo cual se mide en
unidades estándar de energía como el
Joule. El intercambio de calor es medible
de manera cuantitativa mediante el uso de
un calorímetro (calorimetría) (Jiménez
Carballo, 2017). La calorimetría es una de
las técnicas más empleadas en la
termodinámica para caracterizar los
sistemas que generan o absorben energía
térmica (García et al, 2007); mediante esta,
se determinó experimentalmente que la
energía se conserva, absorbida por el agua
fría y generada o cedida por el agua
caliente.
Cuando se cede energía en forma de calor
a un sólido o un líquido, a presión y
volumen constantes, este aumenta su
temperatura ya que esta energía se aplica
al aumento de la energía interna. En el
caso del sólido (hielo), al mantener el flujo
de energía, en determinado momento se
produjo la fusión de este, ya que usa el
incremento de energía (calor de fusión)
para modificar la estructura en la que están
organizadas sus moléculas pasando a una
fase líquida. En este proceso la
temperatura del sistema permanece
constante. El calor de fusión tiene un valor
que depende de cada sustancia y relaciona
la energía cedida con la masa del objeto
(Jiménez Carballo, 2017). En la fase
líquida obtenemos que, al continuar con el
proceso de entrega de energía, la
temperatura se elevó en proporción a su
capacidad calorífica hasta cambiar de fase,
iniciando un proceso de absorción de
energía en forma de calor, donde la
temperatura es constante mientras el agua
aún es líquida. El calor cedido al sistema
es conocido como calor de vaporización
(Jiménez Carballo, 2017).
Se obtuvieron porcentajes de error por
fuera de los admitidos, lo cual puede
deberse a diferentes factores, como
variaciones en el laboratorio de
temperatura y presión que no se tuvieron
en cuenta, afectando así los resultados
obtenidos. Otra probable causa de los
porcentajes de error anómalos pudo
deberse a errores operativos en la
ejecución del procedimiento, por ejemplo,
perdiendo cantidad del líquido, luego del
pesaje, al transferirla al calorímetro o por
evaporación de la misma por un tiempo
excedido en la ebullición, además de un
probable mal pesaje.
Conclusiones
1. El calorímetro es un instrumento
empleado en laboratorio el cual es crucial
para poder comprender experimentalmente
los procesos de calorimetría, flujo de calor
y conservación de la energía en diversos
sistemas.
2. El estudio de la transferencia en forma
de calor es indispensable para entender el
comportamiento de sistemas presentes en
diferentes situaciones cotidianas.
Dependiendo igualmente de variables
como las propiedades del sistema, del
medio y de la sustancia a estudiar.
3. El calor latente es una de las variables
que determinan la energía requerida para
que una sustancia sea capaz de cambiar su
estado. Por este motivo, la investigación
del calor latente nos indica el
comportamiento de la sustancia al ser
sometida a cambios en la temperatura.
Bibliografía
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conservación de la energía.
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https://academia-lab.com/enciclope
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Termodinámica. RUA. Retrieved
April 12, 2023, from
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● García, V., Moreno-Piraján, J. C.,
& Giraldo, L. (2007). Construcción
de un Calorímetro para la
Determinación de Entalpías de
Inmersión. Información
tecnológica, 18(3), 59-70.
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Calor y Calorimetría. Repositorio
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